AlN/GaN数字合金势垒类AlGaN/GaN异质结研究

摘要

AlGaN/GaN异质结构材料禁带宽度大，极化作用强，载流子浓度高，迁移率大，击穿电场强，使得其在高频大功率、高压以及高温器件方面具有广阔的应用前景。为了提高器件的性能，需要降低AlGaN/GaN异质结构的方阻，通过增加AlGaN层的Al组分可以达到这一目的。然而，随着AlGaN层Al组分的增加，AlGaN层与缓冲层的失配应力增加，AlGaN层的结晶质量降低，从而使得2DEG迁移率降低，导致异质结构方阻增加。为了解决这一问题，本文采用AlN/GaN数字合金势垒来替代传统AlGaN势垒，形成AlGaN/GaN异质结，研究结果如下：
　　1.研究了数字合金势垒生长过程金属源流速对数字合金势垒异质结构的影响。随着金属源流速的降低，数字合金势垒层中GaN和AlN的生长速率降低，GaN的生长速率降低更明显，势垒层等效Al组分逐渐升高，势垒层表面形貌得到改善。当生长速率太低时，势垒层生长从数字合金方式转变为化合物生长方式，材料表面形貌恶化。
　　2.研究了势垒层生长温度对数字合金势垒异质结构材料特性的影响。随着数字合金势垒层外延生长温度的提高，AlN层的生长速度明显降低，而其分解速率很小，基本不受温度的影响；GaN层生长速率急剧降低，其分解速率也下降。AlN和GaN的净生长速率都随势垒层生长温度升高而降低，GaN材料生长速率下降的幅度更大，势垒层的等效Al组分不断升高，势垒层厚度降低。随着生长速率的降低，材料的表面形貌得到改善，当生长速度过低时，数字合金的生长方式向化合物生长方式转变，材料表面形貌恶化。
　　3.研究了AlN插入层和GaN帽层对数字合金势垒异质结构的影响，引入插入层和帽层以后，势垒层结晶质量提高，2DEG的面密度从0.86×1013cm-2提高到0.96×1013cm-2，迁移率从1628cm2/Vs增加到1977cm2/Vs，方阻值从460Ω/□下降到339Ω/□，材料的表面形貌也得到改善，表面粗糙度从0.246nm下降到0.181 nm，表面起伏Max-Min也从5.318 nm降低到2.953 nm。
　　4.对数字合金势垒异质结构样片和常规势垒异质结构样片进行了对比研究，数字合金势垒异质结构在结晶质量方面以及2DEG面密度、迁移率和方阻等电学特性方面都与常规势垒异质结构接近，表面形貌明显好于传统势垒异质结构，表面原子台阶清晰、规则，表面黑点数量明显减少。

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第一章 绪论

1.1 GaN基HEMT的主要特点

1.2 常规GaN材料与器件的研究历程

1.3AlN/GaN数字合金势垒类AlGaN/GaN HEMT研究进展

1.4 本文主要研究工作

第二章 异质结构原理及表征方法

2.1 AlGaN/GaN异质结构理论基础

2.2 GaN材料的制备

2.3 材料表征与测试方法

2.4 本章小结

第三章 数字合金势垒类AlGaN/GaN异质结生长

3.1 AlN/GaN数字合金势垒类AlGaN/GaN HEMT的制备

3.2 不同金属源流量数字合金势垒异质结构生长研究

3.3 插入层和帽层对数字合金势垒异质结构材料特性的影响

3.4 本章小结

第四章 温度对数字合金势垒异质结构外延生长的影响

4.1 不同温度下数字合金势垒异质结构生长

4.2 AlN/GaN数字合金势垒异质结与常规AlGaN/GaN异质结比较

4.3 本章小结

第五章 结论和展望

5.1 研究结论

5.2 研究展望

参考文献

致谢

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